ES2246827T3

ES2246827T3 - Acero inoxidable austenitico resistente al calor.

Info

Publication number: ES2246827T3
Application number: ES00908206T
Authority: ES
Inventors: Ann Sundstrom; Goucai Chai
Original assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2020-02-16
Also published as: DK1194606T3; SE9900555D0; SE9900555L; SE516137C2; ATE308627T1; EP1194606B1; DE60023699T2; WO2000049191A1; HK1044967A1; CN1340109A; BR0000549A; DE60023699D1; CN1107123C; BR0008218A; EP1194606A1; US6485679B1; JP5000805B2; HK1044967B; JP2000239807A; KR100665746B1

Abstract

Aleación de acero inoxidable austenítico que tiene una alta resistencia a la rotura por fluencia a elevadas temperaturas, durante largos periodos de tiempo, buena resistencia a la oxidación por vapor de agua, buena resistencia a la oxidación de la cara expuesta al fuego y una suficiente estabilidad estructural, teniendo la aleación una composición que comprende, en % en peso: 0, 04 a 0, 10% de carbono; no más de 0, 4% de silicio; no más de 0, 6% de manganeso; 20 a 27% de cromo; 22, 5 a 32% de níquel; no más de 0, 5% de molibdeno; 0, 20 a 0, 60% de niobio; 0, 4 a 4, 0% de volframio; 0, 10 a 0, 30% de nitrógeno; 0, 002 a 0, 008% de boro; 0, 003 a 0, 05% de aluminio; al menos uno de los elementos magnesio y calcio en cantidades inferiores a 0, 010%; un contenido adicional de 2, 0 a 3, 5% de Cu y 0, 5% a 3% de Co y opcionalmente 0, 02 a 0, 1% de Ti, y siendo el resto hierro e impurezas normales en la fabricación del acero.

Description

Acero inoxidable austenítico resistente al calor.

Campo de la invención

El objeto de esta invención es proporcionar un acero inoxidable austenítico resistente al calor, con alta resistencia a elevadas temperaturas, buena resistencia a la oxidación por vapor, buena resistencia a la oxidación de la cara expuesta al fuego y suficiente estabilidad estructural.

Esta invención se refiere también a un miembro estructural de una caldera hecha de este acero inoxidable austenítico resistente al calor, con alta resistencia a elevadas temperaturas, buena resistencia a la oxidación por vapor, buena resistencia a la oxidación de la cara expuesta al fuego y suficiente estabilidad estructural. Este miembro estructural podrá, por ejemplo, estar en forma de un tubo extruido sin costura.

Antecedentes de la invención

Los aceros inoxidables austeníticos se ha usado ampliamente, por ejemplo, como tubos sobrecalentadores y recalentadores en centrales de producción de energía. A partir del documento JP6411950 se conoce un acero austenítico de alta resistencia que contiene 17-26% de Cr y 15-40% de Ni, que está indicado para aplicaciones a altas temperaturas, tal como cambiadores de calor y tubos de calderas. Con el fin de aumentar la eficacia, y satisfacer los requisitos medioambientales, las centrales de producción de energía requerirán trabajar a temperaturas más elevadas y bajo presiones más elevadas. Como resultado, el material usado en este tipo de instalaciones requiere propiedades mejoradas respecto a la resistencia a la fluencia y a la resistencia a la corrosión, ya que los aceros inoxidables austeníticos convencionales, tales como los AISI 347, AISI 316 y AISI 310 no serán capaces de satisfacer estas demandas superiores. Se han realizado, y se están realizando, diversos esfuerzos de desarrollos con el fin de satisfacer estas tendencias hacia unas condiciones de operación más severas en las centrales de producción de energía.

En general, la precipitación de carbonitruros y el endurecimiento de la solución sólida mediante la adición de molibdeno y volframio es eficaz para mejorar la resistencia los aceros inoxidables austeníticos a temperaturas elevadas. Además, también ha habido mejoras de la resistencia añadiendo una considerable cantidad de cobre al acero inoxidable austenítico. El cromo es el elemento esencial usado para mejorar la resistencia a la oxidación y a la corrosión en aleaciones para altas temperaturas. Además, el contenido de níquel requerido para asegurar una estructura austenítica estructuralmente estable, se ha reducido en algunas aleaciones previamente desarrolladas debido a su sustitución con nitrógeno.

Generalmente, es difícil obtener un material resistente a la corrosión con una alta resistencia a la rotura por fluencia que tenga también una estabilidad estructural aceptable, incluso cuando se añade nitrógeno como sustituto de algo del costoso níquel. En este material se necesita una cantidad bastante alta de níquel, con altos niveles de elementos formadores de ferrita tales como el cromo, volframio y niobio con el fin de suprimir la formación de fases frágiles, tales como la fase sigma, después de una exposición a largo plazo. Se añade cromo para la alta resistencia a la corrosión, y volframio y niobio para la alta resistencia a la rotura por fluencia. Otros elementos promotores de la fase sigma, tal como el silicio y el molibdeno, se mantienen bajos, mientras que se han añadido algunos elementos distintos del níquel con el fin de mejorar la estabilidad estructural.

Resumen de la invención

La presente invención proporciona una aleación con una alta resistencia a la rotura por fluencia, a elevadas temperaturas, durante largos periodos de tiempo, una buen resistencia a la oxidación por vapor y una resistencia a la oxidación de la cara expuesta al fuego y una estabilidad estructural suficiente.

Un acero inoxidable austenítico según la presente invención comprende (en peso) 0,04 a 0,10% de carbono (C), no más de 0,4% de silicio (Si), no más de 0,6% de manganeso (Mn), 20 a 27% de cromo (Cr), 22,5 a 32% de níquel (Ni), no más de 0,5% de molibdeno (Mo), 0,20 a 0,60% de niobio (Nb), 0,4 a 4,0% de volframio (W), 0,10 a 0,30% de nitrógeno (N), 0,002 a 0,008% de boro (B), menos de 0,05% de aluminio (Al), al menos uno de los elementos magnesio (Mg), y calcio (Ca) en cantidades inferiores a 0,010% de Mg e inferior a 0,010% de Ca, 2,0-3,5% de cobre (Cu) y/o 0,5% a 3% de cobalto (Co), siendo el resto hierro, y podrá incluirse 0,02-0,1% de titanio (Ti).

En una realización de la presente invención, el acero inoxidable austenítico tiene una composición que consta esencialmente de los elementos constituyentes anteriormente listados.

En otra realización de la presente invención, el acero inoxidable austenítico tiene una composición que consta de los elementos constituyentes anteriormente listados.

Descripción detallada de la invención

A continuación se discuten los elementos constituyentes de una aleación formada según una realización preferida de la presente invención. Los porcentajes listados están en peso.

Carbono

El carbono es un componente eficaz para proporcionar una adecuada resistencia a la tracción y una resistencia a la rotura por fluencia requerida para el acero a alta temperatura. Sin embargo, si se añade carbono en exceso, la tenacidad de la aleación se reduce y se puede deteriorar la soldabilidad. Por estas razones, el contenido de carbono está delimitado al intervalo de 0,04% a 0,10%, preferiblemente 0,06-0,08%.

Silicio

El silicio es eficaz como agente desoxidante y sirve también para mejorar la resistencia a la oxidación. Sin embargo, un exceso de silicio es perjudicial para la soldabilidad y para evitar el deterioro de la ductilidad y la tenacidad, debido a la formación de fase sigma después de un largo periodo de exposición a un medio ambiente encontrado en las centrales de producción de energía, el contenido de silicio no deberá ser superior a 0,4%, preferiblemente muy inferior al 0,2%.

Manganeso

El manganeso es un elemento desoxidante y también es eficaz para mejorar la capacidad de poder ser trabajado el acero en caliente. Sin embargo, con el fin de prevenir la disminución de la resistencia a la rotura por fluencia, de la ductilidad y de la tenacidad, el contenido de manganeso no será superior a 0,6%.

Fósforo y azufre

El fósforo y el azufre son perjudiciales para la capacidad de que el acero pueda ser trabajado, y pueden promover la fragilidad. Por lo tanto, el contenido de fósforo y de azufre no deberá exceder de 0,03% o 0,005%, respectivamente.

Cromo

El cromo es un elemento eficaz para mejorar la resistencia a la corrosión de la cara expuesta al fuego y la resistencia a la oxidación por vapor. Con el fin de conseguir un resistencia suficiente a este respecto, se necesita un contenido de cromo de al menos el 20%. Sin embargo, si el contenido de cromo excede el 27%, el contenido de níquel debe incrementarse más, con el fin de producir una estructura austenítica estable y suprimir la formación de fase sigma después de largos periodos de tiempo a elevadas temperaturas. En vista de estas consideraciones, el contenido de cromo está restringido a un intervalo de 20% a 27%, preferiblemente 22-25%.

Níquel

El níquel es un componente esencial para el fin de asegurar una estructura austenítica estable. La estabilidad estructural depende esencialmente de las cantidades relativas de los estabilizantes de la ferrita, tales como el cromo, silicio, molibdeno, aluminio, volframio, titanio y niobio, y los estabilizantes de la austenita tales como níquel, carbono y nitrógeno. Con el fin de suprimir la formación de fase sigma después de largos periodos de tiempo a elevadas temperaturas, en particular en los altos contenidos de cromo, volframio y niobio necesarios para asegurar la resistencia a la corrosión a altas temperaturas y la alta resistencia a la rotura por fluencia, el contenido de níquel deberá ser al menos 22,5%, preferiblemente superior al 25%. Además, en un nivel específico de cromo, un contenido de níquel incrementado contiene la velocidad de crecimiento del óxido y aumenta la tendencia a formar una capa continua de óxido de cromo. Sin embargo, con el fin de mantener el coste de producción en un nivel razonable, el contenido de níquel no deberá exceder el 32%. En vista de las anteriores circunstancias, el contenido de níquel está restringido a un intervalo de 22,5% a 32%.

Volframio y molibdeno

Se añade volframio para mejorar la resistencia a alta temperatura, principalmente mediante el endurecimiento de la solución sólida, y se necesita un mínimo de 0,4% para conseguir este efecto. Sin embargo, tanto el molibdeno como el volframio promueven la formación de la fase sigma, y también pueden acelerar la corrosión de la cara expuesta al fuego. Se considera que el volframio va a ser más eficaz que el molibdeno en la mejora de la resistencia. Por estas razones, el contenido de molibdeno se mantiene bajo, no más del 0,5%, preferiblemente inferior al 0,02%. Sin embargo, con el fin de mantener una suficiente capacidad de poder ser trabajado, el contenido de volframio no excederá el 4,0% y, por lo tanto, el contenido de volframio está restringido a un intervalo de 0,4% a 4,0%, preferiblemente 1,8% a 3,5%.

Cobalto

El cobalto es un elemento estabilizante de la austenita. La adición de cobalto puede mejorar la resistencia a alta temperatura mediante el refuerzo de la solución sólida y la supresión de la formación de fase sigma después de largos periodos de exposición a elevadas temperaturas. Sin embargo, con el fin de mantener el coste de producción en un nivel razonable, el contenido de cobalto, si se añade, estará en el intervalo de 0,5% a 3,0%.

Titanio

Se puede añadir titanio con el fin de mejorar la resistencia a la rotura por fluencia mediante la precipitación de carbonitruros, carburos y nitruros. Sin embargo, una cantidad excesiva de titanio puede disminuir la soldabilidad y la capacidad de poder ser trabajado el acero. Por estas razones, el contenido de titanio, si se añade, está delimitado al intervalo de 0,02% a 0,10%.

Cobre

Se añade cobre con el fin de producir una fase rica en cobre, finamente y uniformemente precipitado en la matriz, que puede contribuir a una mejora de la resistencia a la rotura por fluencia. Sin embargo, una cantidad excesiva de cobre da como resultado una capacidad disminuida de poder ser trabajado el acero. En vista de estas consideraciones, el contenido de cobre está delimitado al intervalo de 2,0% a 3,5%.

Aluminio y magnesio

El aluminio y el magnesio son eficaces para la desoxidación durante la fabricación. Sin embargo, una cantidad excesiva de aluminio puede acelerar la precipitación de la fase sigma, y una excesiva cantidad de magnesio puede deteriorar la soldabilidad. Por estas razones, el contenido de aluminio se selecciona que va a ser al menos 0,003% pero no más de 0,05%, y el contenido de magnesio se selecciona que va a ser inferior a 0,01%.

Calcio

El calcio es eficaz para la desoxidación durante la fabricación. El contenido de calcio, si se añade, se selecciona que va a ser de no más de 0,01%.

Niobio

Generalmente, se acepta que el niobio contribuye a mejorar la resistencia a la rotura por fluencia mediante la precipitación de carbonitruros y nitruros. Sin embargo, una excesiva cantidad de niobio puede disminuir la soldabilidad y la capacidad de poder ser trabajado el acero. En vista de estas consideraciones, el contenido de niobio está restringido a un intervalo de 0,20% a 0,60%, preferiblemente 0,33 a 0,50%.

Boro

El boro contribuye a mejorar la resistencia a la rotura por fluencia, en parte debido a la formación de M_{23}(C,B)_{6}
finamente disperso, y al refuerzo del borde de grano. El boro puede contribuir también a mejorar la capacidad del acero de poder ser trabajado en caliente. Sin embargo, una excesiva cantidad de boro puede deteriorar la soldabilidad. En vista de estas consideraciones, el contenido de boro está restringido a un intervalo de 0,002% a 0,008%.

Nitrógeno

Se sabe que el nitrógeno, así como el carbono, mejora la resistencia a elevada temperatura, la resistencia a la rotura por fluencia y estabiliza la fase austenítica. Sin embargo, si se añade nitrógeno en exceso, se reduce la tenacidad y ductilidad de la aleación. Por estas razones, el contenido de nitrógeno está delimitado a un intervalo de 0,10% a 0,30%, preferiblemente 0,20-0,25%

Método de ejemplo de elaboración de un artículo que comprende la aleación de la presente invención

En la elaboración de una aleación de la presente invención, se puede preparar una masa fundida de la aleación por cualquier procedimiento convencional que incluye hornos de arco eléctrico, descarburación con argón-oxígeno (AOD), y procedimientos de fusión por inducción a vacío. La masa fundida se puede colar de forma continua en tochos, o ser colado en lingotes, laminado y/o forjado, y luego transformarse en tubos sin costura por extrusión en caliente. Luego, el acero se puede laminar en frío a "paso de peregrino" y/o estirarse y someterse a un tratamiento de solución a elevadas temperaturas, tal como 1150-1250ºC. Estos tubos se pueden usar de forma ventajosa como componentes de sobrecalentadores.

Con el fin de comprender de manera más completa la presente invención, se exponen los siguientes ejemplos.

Ejemplo

La Tabla 1 muestra la composición química de algunas aleaciones de esta invención preparadas en hornos de laboratorio, de alta frecuencia. Se prepararon muestras del ensayo procedentes de todas estas aleaciones y se sometieron a un ensayo de rotura por fluencia a 700ºC. La Tabla 2 muestra el resultado del ensayo de rotura por fluencia como el tiempo de rotura por fluencia a 185 MPa y a 165 MPa.

La aleación con un alto contenido en níquel con una combinación de altos contenidos de nitrógeno, niobio, volframio, cobalto y cobre muestra la mejores propiedades de fluencia (Aleación número 605105). Además, es esencial un alto nivel de nitrógeno para la resistencia a la rotura por fluencia (Aleaciones números 605105, 605107 y 605112). Las aleaciones con una combinación de altos niveles de volframio y cobalto poseen un mejor comportamiento frente a la fluencia. Una comparación de las aleaciones con un alto nivel de níquel y de nitrógeno (Aleaciones números 605105 y 605107) revela que la aleación con más alto nivel de volframio y cobalto se comporta mejor. Además, un alto nivel de cobalto puede contribuir a dar mejores propiedades de fluencia. Una comparación de las aleaciones con alto contenido de volframio (Aleaciones números 6051087 y 605113), muestra que la aleación con el nivel de cobalto más alto posee la mejor resistencia a la fluencia.

La Tabla 3 muestra la composición química de algunas aleaciones de esta invención preparadas como masas fundidas en laboratorio usando un procedimiento de fusión por inducción a vacío que hace posible conseguir un grado de pureza más alto de la aleación. Esta Tabla 3 muestra también los resultados de la rotura por fluencia de la aleación. Esta Tabla 3 muestra también los resultados del ensayo de rotura por fluencia a 700ºC como el tiempo (en horas) de rotura por fluencia a 165 MPa y a 140 MPa. Estos ensayos están todavía llevándose a cabo, pero los resultados obtenido hasta ahora aparecen en la Tabla.

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TABLA 1 Composición química (% en peso). Siendo el resto Fe e impurezas

1

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TABLA 2 Tiempo de rotura por fluencia a 700ºC

Colada Nº	185 MPa	165 MPa

	Tiempo de rotura (horas)	Tiempo de rotura (horas)
605119	643	1085
605099	472	665
605100	606	982
605101	758	1103
605104	565	1052
605105	1024	1631
605107	771	1306
605108	454	760
605112	657	1170
605113	479	884

TABLA 3 Composición química de alguna de las aleaciones de esta invención (% en peso) y resultados del ensayo de fluencia a 700ºC y 165 MPa y 140 MPa

2

Aunque se ha descrito la presente invención en conexión con sus realizaciones preferidas, se apreciará por parte de los expertos en la materia que se pueden hacer adiciones, supresiones, modificaciones, y sustituciones, no descritas específicamente, sin salirse del espíritu y alcance de la invención según se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

1. Aleación de acero inoxidable austenítico que tiene una alta resistencia a la rotura por fluencia a elevadas temperaturas, durante largos periodos de tiempo, buena resistencia a la oxidación por vapor de agua, buena resistencia a la oxidación de la cara expuesta al fuego y una suficiente estabilidad estructural, teniendo la aleación una composición que comprende, en % en peso:

0,04 a 0,10% de carbono;

no más de 0,4% de silicio;

no más de 0,6% de manganeso;

20 a 27% de cromo;

22,5 a 32% de níquel;

no más de 0,5% de molibdeno;

0,20 a 0,60% de niobio;

0,4 a 4,0% de volframio;

0,10 a 0,30% de nitrógeno;

0,002 a 0,008% de boro;

0,003 a 0,05% de aluminio;

al menos uno de los elementos magnesio y calcio en cantidades inferiores a 0,010%;

un contenido adicional de 2,0 a 3,5% de Cu y 0,5% a 3% de Co

y opcionalmente 0,02 a 0,1% de Ti,

y siendo el resto hierro e impurezas normales en la fabricación del acero.

2. La aleación de la reivindicación 1, que comprende 22-25% de Cr.

3. La aleación de la reivindicación 1, que comprende 25-28% de Ni.

4. La aleación de la reivindicación 1, que comprende 1,8-3,5% de W.

5. La aleación de la reivindicación 1, que comprende 0,33-0,50% de Nb.

6. La aleación de la reivindicación 1, que comprende 0,20-0,25% de N.

7. Un miembro estructural de una caldera para usar a elevadas temperaturas, hecho de una aleación según cualquiera de las reivindicaciones 1-6.

8. Un tubo sin costura para uso en una caldera a elevadas temperaturas, hecho de una aleación según cualquiera de las reivindicaciones 1-6.